不同无性繁殖造林小黑杨生物量模型研究

姜 鹏，秦召文，王永明，谷建才，王桂真

（河北农业大学 林学院，河北 保定 071001）

森林生物量是森林生态系统中数量特征的最基本表现，是森林经营和开发利用的价值体现，是森林中物质循环和能量转换的载体，森林生物量占全球陆地植被生物量的90%左右，其反映了森林的固碳能力[1-6]。森林生物量反映了碳储量和碳收支的重要数据和理论支撑，也是研究很多林业问题和生态问题的基础[7-14]。因此，研究森林生物量的测定和预估，对生产和理论研究都有很重要的意义[15-17]。本研究中的小黑杨Populus×xiaohei T.S.Hwang et Liang是黄东森等在1960年以小叶杨为母本、欧洲黑杨为父本，经人工杂交后，将其杂交混合系原始材料提供全国各地进行选种而得。本树种喜光，喜冷湿气候，喜生于土壤肥沃、排水良好的沙质壤土上，生长快，适应性强，抗寒，抗旱，耐瘠薄，耐盐碱。本文中研究了不同无性繁殖造林小黑杨生物量拟合模型，并为推测出坝上地区小黑杨单位面积的生物量和碳储量提供科学的技术支持和理论依据，也为水源涵养林的构建提供数据支持。

1 研究区概况

河北省张家口市坝上地区位于河北省张家口北部，横亘在华北平原和内蒙古高原之间，年平均温度1℃，最热月份平均温度在19 ℃左右，虽在盛夏，犹有“高处不胜寒”的感觉。本实验区设置在坝上的张北县和沽源县。

张北县地处坝上地区南缘，县境地形呈高原丘陵景观，大致分为东南坝头区、西部丘陵区和中部平原区三个类型，平均海拔1 400～1 600 m，南部“坝头”海拔1 600～1 800 m，境内桦皮岭海拔2 128 m，为“坝头”群峰之首。全县属中温带大陆性季风气候，年降水量300 mm左右，年平均气温2.6 ℃。张北县是河北省日照条件最好的县之一，年平均日照时数2 897.8 h，年平均7级以上大风日数30 d左右，全年无霜期90～110 d。

沽源县位于西北部的坝上地区，全县最高海拔2 123 m，最低海拔1 356 m，平均海拔1 536 m。气候属温带大陆性草原气候，年均气温1.4 ℃，暑期平均气温17.9 ℃，年日照时数最长3 246 h，最短2 616 h，年降水量426 mm，无霜期117 d。汛期主要反映在6、7、8三个月，期间降水量占全年降水量的53%。

2 研究方法

2.1 标准地设置

本次实验选取小黑杨林带，保证小黑杨林分生长状况良好且林型基本相同两个条件，共选取4块标准地，其面积为1 800 m2（100 m×18 m）的林带。每个标准地都包含插条、断根和埋桩3种无性繁殖造林的2到3种方式。其标准地的基本情况见表1。

表1 小黑杨林带标准地基本情况†Table 1 Basic situation of Populus×xiaohei forest belt

2.2 标准地调查

在小黑杨标准地内进行林分因子调查，主要进行每木检尺、枝下高、冠幅等调查，并进行林下植被调查。每种无性繁殖造林选20株解析木，分别分布在4个标准地内，共选60株伐倒木，实测各项指标。小黑杨林分的4个标准地取总和后，再整化到每公顷小黑杨中，林分生长因子的基本情况见表2。

表2 林分生长因子基本情况Table 2 Basic situation of stand growth factors

2.3 小黑杨生物量的测定

在4个标准地内选取插条、断根和埋桩小黑杨，利用树干解析和收割的方法，确定各株树的生物量。主要过程是伐倒所选定的插条、埋桩和断根小黑杨的标准木，摘取各树的全部树叶，砍掉树枝，以0.5 m为一个区分段截取5 cm厚的圆盘，现场称取树干、树枝和树叶的鲜质量，梢头单独称取鲜质量，最后分别取干、枝、叶各部分的样品带回实验室，通过烘干（105℃）至恒质量，计算出树枝、树干和树叶各部分器官的含水率，并推算出插条、断根和埋桩小黑杨地上部分各器官的生物量。

2.4 数据分析及处理

本文中数据分析及处理主要运用的软件有Excel和 SPSS18.0，林分中插条、埋桩和断根小黑杨的生物量拟合模型采用SPSS18.0软件中的曲线回归进行拟合。由于不同无性繁殖造林小黑杨的胸径、树高有很强相关性，因此，选取容易实测的因子（D1.3、D1.32H；D1.3为胸径，H为树高）为回归模型的自变量，以地上各器官生物量（W）为因变量，建立立木的地上干、枝、叶的生物量回归估测模型。回归估测模型采用非线性回归模型中具有良好生物学意义的幂函数和Logstic方程。

3 结果与分析

3.1 林分生物量数值模型预测范围

插条、断根和埋桩小黑杨生物量预估模型的自变量胸径、树高的取值范围，以及因变量树干生物量、树枝生物量和树叶生物量的取值范围见表3。

3.2 林分生物量预测模型

利用SPSS的曲线回归功能，计算出自变量胸径和各器官的生物量因变量之间的幂函数和Logistic函数，其无性繁殖造林小黑杨的干、枝、叶的生物量模型的系数估计值、判定系数R2等见表4。

表3 小黑杨生物量预估模型取值范围Table 3 Value range of prediction model about Populus×xiaohei biomass

表4 小黑杨生物量估测模型（D1.3）Table 4 Prediction models of Populus×xiaohei biomass(D1.3)

通过比较分析，以D1.3为自变量的小黑杨生物量估测模型中函数的判别系数R2都大于0.94，因此，选择D1.3为自变量。插条造林的小黑杨和埋桩造林的小黑杨都选择Logistic方程、断根的小黑杨选择幂函数作为无性繁殖造林小黑杨的树干、树枝和树叶的生物量模型。以D1.3为自变量的小黑杨生物量最优模型如下。

利用SPSS的曲线回归功能，计算出自变量和各器官的生物量因变量之间的幂函数和Logistic函数，其无性繁殖造林小黑杨的干、枝、叶的生物量模型的系数估计值、判定系数R2等见表5。

以为自变量的小黑杨生物量估测模型中判别系数R2都大于0.74，插条造林的小黑杨和断根的小黑杨选择幂函数、埋桩造林的小黑杨选择Logistic方程作为的无性繁殖造林小黑杨的树干、树枝和树叶的生物量模型。以为自变量的小黑杨生物量最优模型如下。

对拟合方程进行方程检验，方程检验中回归和残差F值见表4和5，其P值小于0.01且在0.01水平上呈现极显著。根据比较各拟合模型的R2和参考散点分布图，插条小黑杨和埋桩小黑杨选取以D1.3自变量的Logistic方程，而断根小黑杨则选取以为自变量的幂函数。

表5 小黑杨生物量估测模型Tabel 5 Prediction model of Populus×xiaohei biomass

表5 小黑杨生物量估测模型Tabel 5 Prediction model of Populus×xiaohei biomass

回归模型 繁殖方式 器官 参数估计值 模型汇总u 常数 b1R2F Sig.干插条80 000 0.000 3 0.993 0.918 133.972 0.000枝16 000 0.001 0 0.993 0.924 146.274 0.000叶6 000 0.003 0 0.993 0.907 116.740 0.000 1干W=1u+b 0⋅b断根1x 100 000 0.000 1 0.995 0.866 83.816 0.000枝18 000 0.000 4 0.996 0.795 50.528 0.000叶8 000 0.001 0 0.996 0.743 37.572 0.000干埋桩80 000 0.001 0 0.992 0.921 162.760 0.000枝13 000 0.002 0 0.992 0.919 158.150 0.000叶8 000 0.005 0 0.993 0.882 104.908 0.000幂常数 b1R2F Sig.干插条540.292 0.687 0.979 566.431 0.000枝171.067 0.637 0.978 537.366 0.000叶60.636 0.643 0.968 360.491 0.000干W=b0t b1断根1 556.958 0.573 0.994 2173.505 0.000枝465.988 0.520 0.978 581.900 0.000叶154.772 0.546 0.991 1408.925 0.000干埋桩259.519 0.803 0.969 435.686 0.000枝81.138 0.732 0.972 494.671 0.000叶25.877 0.783 0.960 336.705 0.000

4 结 论

通过对张家口坝上地区不同无性繁殖造林小黑杨生物量模型研究，利用SPSS18.0统计分析软件，可以快速有效地实现小黑杨生物量的非线性参数估计，并以实测的因子(D1.3、D1.32H)为回归模型的自变量，以地上各器官生物量(W)为因变量，建立林分立木的地上干、枝、叶的生物量回归估测模型。回归估测模型采用非线性回归模型中的幂函数、Logistic方程。无性繁殖造林小黑杨生物量最优模型如下：插条小黑杨选取Logistic方程(D1.3)，断根小黑杨选取幂函数(D1.32H)，埋桩小黑杨选取Logistic方程(D1.3)。

本研究属于张家口坝上地区不同无性繁殖造林小黑杨生物量与碳储量研究及水源涵养林的构建的一部分，通过具体实测数据建立了小黑杨的生物量模型，将用于推测无性繁殖造林小黑杨林分的地上生物量、碳储量等。文章中没有对立地条件的影响进行分析，建议在今后的研究中加以补充。杨树根系生物量获取本身是一个复杂、繁重的体力劳动，还需要很多的时间对外业样品进行处理，并且本实验中由于无性繁殖的特殊性，根系差别很大，今后将做单独的根系生物量研究。

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